基于虛擬儀器技術(shù)的地震震動(dòng)警報(bào)預(yù)警研究

雷 丹

(西安科技大學(xué)高新學(xué)院,陜西 西安 710109)

0 引言

我國(guó)屬于地震頻發(fā)國(guó)家,涉及的大陸境內(nèi)地震斷裂帶多達(dá)23條,而地震災(zāi)害發(fā)生給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來了巨大損害,因此,盡管地震屬于小概率的自然災(zāi)害事件,但所造成的危害程度不容忽視。有關(guān)于基于虛擬儀器技術(shù)的地震震動(dòng)警報(bào)預(yù)警研究具有現(xiàn)實(shí)意義,可以勘探出地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)知范圍,從而有效提升地震預(yù)警能力。我國(guó)地震預(yù)警系統(tǒng)研究形成了地震預(yù)警綜合試驗(yàn),從而具備閾值報(bào)警和P波預(yù)警一系列功能[1]。

隨著國(guó)家社科技術(shù)的逐漸發(fā)展,對(duì)地質(zhì)問題探究需求越來越大,因此,給有關(guān)地震預(yù)警反射波成像的方法研究帶來了新的挑戰(zhàn),需要形成地質(zhì)問題模塊化,設(shè)計(jì)一整套符合精細(xì)化、復(fù)雜化、模塊化的方案,類似于結(jié)合模型提出仿真實(shí)現(xiàn)方法構(gòu)建原始數(shù)據(jù)濾波處理法,并結(jié)合虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建硬件。虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用,在硬件上采集嵌入式的數(shù)字集中器,設(shè)計(jì)上位GPC硬件端,并形成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,構(gòu)建交互連接。軟件上并非所有功能在一個(gè)主體上得以實(shí)現(xiàn),而是借助LabVIEW編程語(yǔ)言通過子程序、子過程組合構(gòu)成框架結(jié)構(gòu)形成流程,調(diào)試輸入輸出,構(gòu)建鏈接關(guān)系,從而提升地震震動(dòng)警報(bào)預(yù)警系統(tǒng)探測(cè)技術(shù),并構(gòu)建地震波反射波成像系統(tǒng),應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)當(dāng)中提升預(yù)警能力[2]。

結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件,針對(duì)地震預(yù)警系統(tǒng)予以發(fā)波測(cè)試,經(jīng)過反復(fù)多次測(cè)試,使其降低成本。綜合地震臺(tái)網(wǎng)中心強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)站布設(shè)的地震斷裂帶符合國(guó)家區(qū)域選址建立臺(tái)站,獲取的地震震動(dòng)信息更加準(zhǔn)確,基于虛擬儀器技術(shù)的地震震動(dòng)警報(bào)預(yù)警的模擬測(cè)試具有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。工程領(lǐng)域中振動(dòng)測(cè)試儀器的虛擬儀器技術(shù)問世,推動(dòng)了振動(dòng)測(cè)試儀器的進(jìn)一步發(fā)展。而虛擬儀器開發(fā)的lab應(yīng)用編寫軟件能夠模仿現(xiàn)實(shí),綜合頻譜儀信號(hào)發(fā)生器以及工具包采集信號(hào)波形成波形、儲(chǔ)存數(shù)據(jù),結(jié)合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)值計(jì)算、信號(hào)變化、數(shù)據(jù)采集,滿足振動(dòng)測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)要求。

由此可見,基于虛擬器技術(shù)開發(fā)的地震震動(dòng)波形信號(hào)采集軟件以及信號(hào)發(fā)生器的核心硬件,所構(gòu)建的地震預(yù)警測(cè)試系統(tǒng)可以形成S波預(yù)制報(bào)警、P波預(yù)警,通過驗(yàn)證測(cè)試證明該模型測(cè)試方案成本低、靈活性強(qiáng)、擴(kuò)展性好,應(yīng)用于地震震動(dòng)警報(bào)預(yù)警具有參考價(jià)值。

1 基于虛擬儀器技術(shù)的地震震動(dòng)警報(bào)預(yù)警總體設(shè)計(jì)及可行性分析

地震預(yù)警警報(bào)的研制,主要綜合軟件儀器設(shè)計(jì)思想,在虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)Lab基礎(chǔ)上構(gòu)建波形信號(hào)與軟件測(cè)試系統(tǒng),形成核心軟件。在硬件平臺(tái)綜合信號(hào)作為測(cè)試系統(tǒng)的核心硬件,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、工控機(jī)、分配器、服務(wù)器搭建的測(cè)試系統(tǒng),從而為地震震動(dòng)預(yù)警提供功能驗(yàn)證測(cè)試基礎(chǔ)條件。

1.1 測(cè)試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于虛擬儀器技術(shù)產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)生器,替代了原來天然地震波干擾地震,預(yù)警系統(tǒng)測(cè)試總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 地震震動(dòng)警報(bào)預(yù)警系統(tǒng)總體框架

1.2 可行性分析

虛擬機(jī)開發(fā)當(dāng)中使用的平臺(tái)是LabVIEW,包含有控件程序框圖,而數(shù)據(jù)流動(dòng)方向決定程序框圖的代碼執(zhí)行順序,避免復(fù)雜與定義,有助于有效開發(fā)地震震動(dòng)測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)[3]。綜合MATLAB和C等高級(jí)編程語(yǔ)言節(jié)點(diǎn),連接API接口,實(shí)現(xiàn)高級(jí)編程語(yǔ)言混合式編程,與Lab SQL工具包實(shí)現(xiàn)了odbc訪問MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù),以便于數(shù)據(jù)的管理儲(chǔ)存。由于地震屬于天然震動(dòng),現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案難以滿足,而借助于虛擬儀器技術(shù)與PXI硬件平臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)地震震動(dòng)波測(cè)試操作融合性、可靠性度高,測(cè)試效率高,成為解決地震預(yù)警系統(tǒng)測(cè)試的有效方案。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)發(fā)生器

由于信號(hào)發(fā)生器只能發(fā)送正弦波、方波形成周期性信號(hào),對(duì)地震的天然波這一類非周期信號(hào)難以發(fā)射。為保障適用性和經(jīng)濟(jì)性,預(yù)測(cè)地震波采用的信號(hào)發(fā)生器,以ra Co px le1071型號(hào)的p Xi。信號(hào)發(fā)生器內(nèi)部包含有一臺(tái)嵌入式的p Xi控制器以及3塊p Xi數(shù)據(jù)采集板卡,連接到定時(shí)同步功能的高性能背板當(dāng)中,結(jié)合LabVIEW編寫應(yīng)用程序接口,輸入矩形波等一系列標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)信號(hào)和自定義模型信號(hào)。由此嵌入了PXI控制器,形成信號(hào)發(fā)生器的主要核心部分,使這一發(fā)生器的波形有助于數(shù)據(jù)采集、保存、分析。而這一類的嵌入式PXI控制器包含有以太網(wǎng)硬盤驅(qū)動(dòng)器、隨機(jī)存儲(chǔ)器、中央處理器,形成了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備功能,以提高8 GB/s的系統(tǒng)吞吐量[4]。因此,本文主要應(yīng)用的是嵌入式PXI控制器,主頻是2.6 GHz,還有320 GB的硬盤、擴(kuò)展槽,以及標(biāo)準(zhǔn)的I/O功能。

所形成的信號(hào)發(fā)射器共計(jì)18個(gè)信號(hào)通道,以波形信號(hào)發(fā)送的輸出通道共計(jì)12條,波形信號(hào)回采的輸入通道有6條,結(jié)合地震預(yù)警形成的多臺(tái)站測(cè)試輸入輸出通道編號(hào)構(gòu)建,編號(hào)1—3以模擬不同站臺(tái)的傳感器波形,編號(hào)4—6輸出通道以模擬不同傳感器從XYZ方向形成的波形,以此類推,構(gòu)建信號(hào)發(fā)生器的各個(gè)輸入輸出模塊相關(guān)性能指標(biāo)以及重要參數(shù),具體如表1所示。

表1 信號(hào)發(fā)生器參數(shù)指標(biāo)

2.2 分配器

地震預(yù)警系統(tǒng)使用的分配器由科學(xué)研究院研制,CRES-LGA-016信號(hào),包含有4個(gè)信號(hào)輸出端口和2個(gè)輸入端口。每個(gè)輸入端口對(duì)應(yīng)2個(gè)輸出端口,模擬地震波并能夠抗干擾,將所輸出轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)采集器[5]。

2.3 數(shù)據(jù)采集器

本文采用的數(shù)據(jù)采集器有2臺(tái),主要是記錄地震波信號(hào)發(fā)生器的數(shù)據(jù)信息,并記錄抗干擾波數(shù)據(jù),將這一部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸給工控機(jī),而數(shù)據(jù)采集器主要參數(shù),涉及通道數(shù)有8個(gè),通道信號(hào)輸入方式劃分為5 VPP、10 VPP、40 VPP,滿量程范圍在-20～+20 V。支持標(biāo)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)置8個(gè)通道,標(biāo)定輸出600 MV,支持記錄功能和斷點(diǎn)續(xù)傳,通信接口以以太網(wǎng)和RS232為主,支持監(jiān)測(cè)設(shè)置管理軟件,以Web管理為主,有避雷保護(hù)裝置,整機(jī)功耗16 W。支持自啟動(dòng)的功能,工作溫度在-20～70 ℃,安裝以機(jī)駕式為主。

2.4 監(jiān)控主機(jī)

地震預(yù)警測(cè)試系統(tǒng)的監(jiān)控主機(jī)設(shè)置有2臺(tái),每臺(tái)都要安裝預(yù)警監(jiān)控軟件,用于處理和接收相應(yīng)的數(shù)據(jù),采集實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)以進(jìn)一步生成地震預(yù)警警報(bào)。預(yù)警報(bào)警包含有地震S波的預(yù)制報(bào)警和P波預(yù)警,IPC-610-H型號(hào)的監(jiān)控主機(jī)主要參數(shù)和性能指標(biāo)如表2所示,其中CPU為Inter E5300,內(nèi)存為2 GB,硬盤為500 GB,接口RJ45以太網(wǎng)接口,網(wǎng)絡(luò)寬帶網(wǎng)速為100 M,電源為AC 176～253 V,安裝采用的方式為機(jī)架式。

表2 監(jiān)控主機(jī)參數(shù)指標(biāo)

2.5 前端預(yù)警服務(wù)器

地震預(yù)警地震震動(dòng)警報(bào)預(yù)警系統(tǒng)需要安裝有1臺(tái)預(yù)警軟件形成前端預(yù)警服務(wù)器,綜合處理接收來自主監(jiān)控機(jī)的數(shù)據(jù),一次生成地震震動(dòng)相關(guān)警報(bào)的信息。具體監(jiān)測(cè)的是多臺(tái)P波預(yù)警以及S波閾值報(bào)警,注意前端預(yù)警服務(wù)器型號(hào)是IBM-system-x3650型號(hào)[6]。內(nèi)存8 GB硬盤2×300 GB,接口設(shè)置有4個(gè)pcle3.0端口,4個(gè)p cix端口以及USB接口前2后4,VGA接口前1后1,安裝以機(jī)架式安裝為主,陣列控制器是M5110E,以支持READ0和READ1。

綜上可見,硬件系統(tǒng)構(gòu)成部分主要以信號(hào)發(fā)生器輸入輸出模塊形成的數(shù)模轉(zhuǎn)換器有24位,與以往的12位精度有所提升,配合以24位數(shù)據(jù)采集器有助于接收地震波的信號(hào),接收到的地震震動(dòng)波形屬于更低閾值,實(shí)現(xiàn)更高的信噪比,由此可見該地震震動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)效果更佳。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能需求分析

波形數(shù)據(jù)讀取以支持抗干擾的文件讀取地震波動(dòng)數(shù)據(jù),解析頭段文件信息,并加載顯示,結(jié)合數(shù)據(jù)文件當(dāng)中的波形數(shù)據(jù)及預(yù)警,實(shí)現(xiàn)波形信號(hào)的生成與發(fā)送,主要是用戶在自定義的差值模式轉(zhuǎn)化比例當(dāng)中,將采集到的數(shù)據(jù)文件波形數(shù)據(jù)生成原始的波形信號(hào)予以顯示,通過手動(dòng)設(shè)置輸出通道行實(shí)現(xiàn)用戶發(fā)波,以支持連續(xù)發(fā)波模式讀取預(yù)先準(zhǔn)備的表單文件,而波形信號(hào)實(shí)時(shí)回采,是對(duì)原始的波形符號(hào)回采并加載顯示。

3.2 軟件操作流程分析

在LabVIEW的波形信號(hào)數(shù)據(jù)采集當(dāng)中,讀取解析波形數(shù)據(jù)文件,以此進(jìn)一步生成發(fā)送該波形信號(hào),實(shí)現(xiàn)單獨(dú)配置通道,又能實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)波模式[7]。具體操作流程如圖2所示,具體的步驟:啟動(dòng),選擇差值運(yùn)算模式,設(shè)置基線偏移量,通過設(shè)置幅值轉(zhuǎn)化因子,確定是否連續(xù)模式。如果屬于單獨(dú)配置通道,則需要使能信號(hào)進(jìn)行采集,使能信號(hào)發(fā)生停止信號(hào)發(fā)生,然后停止信號(hào)采集,退出應(yīng)用程序。

圖2 操作流程

3.3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為進(jìn)一步降低地震震動(dòng)警報(bào)預(yù)警開發(fā)難度,便于后期維護(hù)波形信號(hào)的采集,軟件借助模塊化思想設(shè)計(jì)開發(fā)采集軟件,劃分為數(shù)據(jù)讀取和解析以及波形信號(hào)生成發(fā)送,并進(jìn)行實(shí)時(shí)回采,構(gòu)建模塊為層次化思想劃分,形成若干個(gè)子功能,以便于軟件后期編程擴(kuò)展維護(hù)。因此,波形信號(hào)發(fā)生與采集的軟件包含信號(hào)生成與發(fā)送、數(shù)據(jù)讀取解析,波形信號(hào)的實(shí)時(shí)回采相關(guān)功能模塊主要包含波形信號(hào)生成與采集,是由文件讀取、解析以及信號(hào)生成發(fā)送模塊、顯示模塊、實(shí)時(shí)回采顯示模塊構(gòu)成,結(jié)合LabVIEW編程,構(gòu)建基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的應(yīng)用程序。各模塊由若干個(gè)子虛擬儀器VI構(gòu)成,由數(shù)據(jù)流動(dòng)方向驅(qū)動(dòng),內(nèi)部數(shù)據(jù)會(huì)從一個(gè)VI流向另一個(gè)VI,因此,文件讀取、解析與顯示形成了信號(hào)生成與發(fā)送,然后是實(shí)時(shí)回采。

基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的LabVIEW屬于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)及模式、生產(chǎn)消費(fèi)者數(shù)據(jù)模式等多模式構(gòu)成的程序,設(shè)計(jì)在循環(huán)結(jié)構(gòu)和入隊(duì)列出隊(duì)列操作當(dāng)中構(gòu)成的數(shù)據(jù)源各數(shù)據(jù)類型較為多樣,設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)在讀取、解析處理當(dāng)中相對(duì)較為獨(dú)立,為了避免地震數(shù)據(jù)讀取過長(zhǎng)、速度過慢等問題,設(shè)計(jì)模式處理,解析讀取相對(duì)較為獨(dú)立。從而使程序框圖應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單清晰,再考慮到地震震動(dòng)警報(bào)的波形信號(hào)與采集軟件形成的波形數(shù)據(jù)要相互連接、持續(xù)處理,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,單一模式并不能滿足數(shù)據(jù)采集以及信號(hào)生成,為此選擇的是經(jīng)典生產(chǎn)者和消費(fèi)者的數(shù)據(jù)模式,構(gòu)建成了混合設(shè)計(jì)模式[8]。綜合LabVIEW波形型號(hào)的采集發(fā)生,構(gòu)建前面板的程序框圖,綜合人機(jī)交互界面,應(yīng)以正常工作,利用內(nèi)置函數(shù)圖標(biāo)和連線采集波形信號(hào),并對(duì)圖形進(jìn)行控制操作。

3.3.1 前面板設(shè)計(jì)

前面板設(shè)計(jì)綜合軟件和使用者開發(fā)的交互界面滿足美觀,協(xié)調(diào)適用,操作便捷,配置參數(shù)和控件以讀取地震波波形數(shù)據(jù)文件并進(jìn)行解析、生成信號(hào),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)回采和發(fā)送,以達(dá)到對(duì)地震震動(dòng)警報(bào)預(yù)警監(jiān)測(cè)功能。如圖3所示,軟件控制包含有按鈕控件、文本顯示控件、數(shù)值輸入框、下拉菜單等。

圖3 前面板的表單選擇

3.3.2 程序框圖設(shè)計(jì)

波形信號(hào)發(fā)生采集程序框圖包含有解析程序框圖、數(shù)據(jù)讀取界面、程序框圖、原始波形、顯示程序框圖和頭段信息,以此形成框架圖,主要包含有主界面程序、插值模式程序、數(shù)據(jù)讀取和解析。

3.4 測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行與分析

在現(xiàn)行的地震震動(dòng)警報(bào)預(yù)警系統(tǒng)當(dāng)中,主要包含的功能有牽變觸發(fā)和地震監(jiān)測(cè)。牽變觸發(fā)功能主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的地震進(jìn)行監(jiān)測(cè),基于虛擬儀器技術(shù)形成的測(cè)試系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)地震時(shí),結(jié)合現(xiàn)實(shí)進(jìn)行測(cè)試,而基于LabVIEW波形信號(hào)采集軟件模擬生成地震波以替代現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的地震傳感作用,形成的地震預(yù)警軟件,可以適時(shí)接收來自地震波形的數(shù)據(jù),應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)予以處理,從而識(shí)別是否屬于地震事件,便捷高效地驗(yàn)證該地震震動(dòng)是否屬于預(yù)警系統(tǒng)當(dāng)中的S波閾值,從而觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng),進(jìn)行警報(bào)預(yù)警[9]。

如果屬于P波預(yù)警以提高地震監(jiān)測(cè)功能,在虛擬儀器技術(shù)地震震動(dòng)警報(bào)預(yù)警的監(jiān)測(cè)測(cè)試系統(tǒng)當(dāng)中,不需要地震傳感器,只是基于LabVIEW波形信號(hào)以采集這一信號(hào),從而形成地震波動(dòng)的監(jiān)測(cè)高效測(cè)試功能。該預(yù)警裝置具有高可靠性、有效性。

3.4.1 測(cè)試方案

測(cè)試方案測(cè)試時(shí)是根據(jù)地震數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)獲取對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),并結(jié)合干擾數(shù)據(jù)選取大于報(bào)警閾值的波形數(shù)據(jù)文件,結(jié)合經(jīng)緯度傳輸給工控器進(jìn)行監(jiān)控,使其充當(dāng)虛擬臺(tái)站,然后利用LabVIEW研發(fā)的波形信號(hào)采集軟件讀取地震波形并進(jìn)行解析。在模擬生成波形信號(hào)之后將其反饋給采集器,通過系統(tǒng)將這一類地震震動(dòng)波形輸入到預(yù)警系統(tǒng),如果屬于閾值報(bào)警范圍以內(nèi),就會(huì)生成報(bào)警系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)信息,需要提供多級(jí)報(bào)警機(jī)制。

3.4.2 地震P波預(yù)警功能測(cè)試

對(duì)地震預(yù)警系統(tǒng)當(dāng)中的P波預(yù)警功能測(cè)試,以驗(yàn)證其是否屬于實(shí)現(xiàn)震級(jí)連續(xù)估算。通過地震數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)獲得符合地震P波的預(yù)警,如果屬于誤報(bào)狀態(tài),就可以解除波形數(shù)據(jù)文件,結(jié)合數(shù)據(jù)文件的頭段信息獲取經(jīng)緯度,實(shí)現(xiàn)工控機(jī)的運(yùn)行監(jiān)控。在數(shù)據(jù)讀取、解析、模擬生成的過程當(dāng)中,通過采集器測(cè)試是否屬于P波預(yù)警誤報(bào)狀態(tài),如果屬于,需要解除功能。

3.4.3 驗(yàn)證結(jié)果分析

驗(yàn)證證明,在系統(tǒng)當(dāng)中讀取解析強(qiáng)振動(dòng)的相關(guān)記錄報(bào)警信號(hào)查看主機(jī)和前端預(yù)警服務(wù)器的有關(guān)地震預(yù)警系統(tǒng)的閾值報(bào)警,分析P波預(yù)警信息,綜合軟件硬件驗(yàn)證能否達(dá)到預(yù)期的檢測(cè)功能,利用強(qiáng)震臺(tái)站的信息登記某區(qū)域的震級(jí)數(shù)據(jù)波形[10]。為測(cè)試該警報(bào)預(yù)警系統(tǒng)精度,對(duì)比不同地震波形測(cè)試輸入數(shù)據(jù)的前后波形是否具有一致性,最終發(fā)現(xiàn)測(cè)試前后加速度峰值平均誤差在0.005 gal,標(biāo)準(zhǔn)差在0.002 gal。由此可見,該測(cè)試系統(tǒng)幅值精度達(dá)到了0.005 gal,符合地震預(yù)警系統(tǒng)測(cè)試性能要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從實(shí)際出發(fā),基于虛擬儀器開發(fā)的LabVIEW編程對(duì)于地震預(yù)警系統(tǒng)當(dāng)中的波形予以采集、驗(yàn)證、測(cè)試,分析S波閾值報(bào)警、P波預(yù)警,通過信號(hào)發(fā)生采集在室內(nèi)原型模擬,從而更高效率、更低成本地提高地震震動(dòng)警報(bào)預(yù)警測(cè)試的有效性和可靠性。基于虛擬技術(shù)的地震震動(dòng)警報(bào)預(yù)警通過系統(tǒng)測(cè)試,模擬生成發(fā)送地震波分析確定儀器開發(fā)平臺(tái)上LabVIEW當(dāng)中地震監(jiān)測(cè)功能方案優(yōu)勢(shì)更加明顯,統(tǒng)計(jì)地震波以及干擾波以提高多臺(tái)站P波的預(yù)警測(cè)試數(shù)據(jù)選取效率,結(jié)果表明,測(cè)試系統(tǒng)的幅值精度提升到0.005 gal。由此可見,基于虛擬儀器技術(shù)的地震震動(dòng)警報(bào)預(yù)警測(cè)試更精確可靠,驗(yàn)證該虛擬技術(shù)應(yīng)用于地震預(yù)警具有可行性和高效性。